网壳结构强震失效机理

序言

绪论

参考文献

第1章网壳结构动力稳定性

1.1结构动力稳定性的判别准则和分析方法

1.2单层球面网壳在三维地震作用下的动力稳定性

1.3在阶跃荷载作用下网壳结构的动力稳定性

1.4 网壳结构频谱特性及简谐荷载作用下的动力稳定性

1.5结语

参考文献

第2章网壳结构的两种失效模式及其判别

2.1多重响应的全荷载域动力时程分析方法

2.2网壳结构模型及参数分析方案

2.2.1有限元分析模型及网壳结构编号

2.2.2时程分析中的基本设置

2.2.3参数分析方案

2.3两种典型的失效模式

2.3.1动力失稳算例

2.3.2动力强度破坏算例

2.4基于统计经验的失效模式判别

2.5结语

第3章网壳结构地震作用下的结构损伤模型

3.1强度破坏极限荷载的讨论

3.2极限状态的结构响应

3.2.1单层球面网壳

3.2.2单层柱面网壳

3.2.3单层鞍形网壳

3.3网壳结构地震损伤模型

3.3.1单层球面网壳

3.3.2单层柱面网壳

3.3.3单层鞍形网壳

……

第4章网壳结构地震模拟振动台试验

第5章钢材考虑损伤累积的本构模型及应用

第6章地震空间变化性模型及对网壳失效影响

第7章支承结构对网壳结构强震失效影响

附录

网壳结构是大跨空间结构 的一种基本形式，近30年来获得广泛应用；针对这种“新颖”结构体系的理论研究也相应展开。单层网壳结构的静力稳定性是设计中的关键问题，早期的理论研究大都围绕这一问题展开，且取得了完整丰硕的成果，也已在设计规程中得到充分反映。网壳结构的抗震设计理论和方法是另一个重要问题。国内外迄今关于结构抗震的研究大都针对多层、高层结构，有关抗震规范的规定也基本反映这方面的成果。网壳结构在地震等动力作用下的性能具有明显的不同特点，因此需要开展更具针对性的专门研究，系统掌握其响应特征和失效规律，在此基础上建立起合理的抗震设计方法。经过十余年的努力，国内研究者基本掌握了各种网壳结构在常遇地震下的响应特性，并提出了可行的抗震设计方法，成果也已纳入相应的设计规程。

作者及其研究团队致力于更基础性质的一些抗震理论问题，如网壳结构的动力稳定性及在强震下的失效机理问题，网壳与下部支承结构的耦合效应、地震动空间相关性对大跨度网壳地震响应的影响，等等；认为这些基础性问题对于建立起更完整更合理的抗震设计理论具有重要意义。随着非线性有限元分析方法和计算机应用技术的迅速发展，至今已完全可能更直接、更细致地考察网壳结构这样的复杂体系在地震作用下的各种宏观和微观的复杂响应，并探讨其变化规律，从而使对上述这些复杂的基础理论问题进行系统深入研究成为可能。我们为此提出称为“多重响应的全荷载域动力时程分析”的分析方法，可用以考察结构的宏观变形状态和内部塑性发展、构件损伤状况等各种微观响应随动力荷载幅值的增大而发展变化的规律，把网壳可能的动力失稳和强度破坏联系在一起进行考察，建立起统一的研究其失效机理的理论框架。以这一方法为基础，结合不同的基础理论问题，针对各种类型网壳结构在其基本参数（几何参数、构造参数、荷载参数等）的常用范围内进行大规模的全荷载域响应分析，对它们在地震作用下的响应特征和失效规律进行了系统考察，从而使我们对上述这些基础理论问题形成了较为规律性的认识。

经过十余年的持续努力，作者们认为取得的成果已较为系统完整，形成了较为完善的理论体系；并认为这些研究成果对实现“两阶段三水准”设计思想中“大震不倒”这一目标有重要意义；尤其是按照近年来基于功能的抗震设计思想，对网壳结构在强震作用下可能的损伤状况及其维持不同使用功能的能力需要有更加深入和具体的了解，我们的研究对实现这一目标提供了可能性。基于上述考虑，特将这些研究成果总结成册，与同行交流，并希望能为后续研究提供一定的借鉴。

作者们的许多研究生参与了课题研究及数据整理工作，正是他们的辛勤劳动为本书成稿提供了丰富的素材，我们向他们表示感谢。同时也感谢国家自然科学基金在“九五”重大项目、“十五”重点项目、重大研究计划及一批面上项目上对本研究方向的持续资助。

最后，我们真诚欢迎读者对本书提出宝贵意见。

作 者

2013年10月2100433B

《网壳结构强震失效机理》适合于土木工程领域的学者、技术人员，以及高等院校相关专业的高年级本科生、研究生和教师阅读。

针对冲击荷载作用下网壳结构的失效机理与防御方法展开研究。主要内容包括：（1）研究网壳结构受冲击荷载作用的精细化建模及研究方法，通过对精确化本构模型、非线性单元类型、接触类型、求解策略等进行细致研究，实现数值模型的精确、高效求解；（2）研究冲击荷载作用下网壳结构的失效模式及失效机理，研究其动力失效性质及特征，以及结构在冲击荷载作用下的失效准则；（3）研究冲击荷载作用下网壳结构的失效规律，研究冲击结束时刻的局部响应与结构失效模式之间的作用规律；（4）研究冲击荷载作用下网壳结构的防御方法，提出合理有效的网壳抗冲击的防御设计方法，指导结构抗冲击防御设计。通过本项目的研究，形成冲击荷载作用下网壳结构的失效机理与防御方法研究的较完善的分析与设计理论，提升我国大跨空间结构突发灾害防御研究水平。

首先提出网壳结构冲击响应的分析方法，然后对冲击荷载下网壳结构的失效模式及其机理进行深入系统的研究，并通过大规模参数研究总结分析网壳结构的失效规律，此外，通过网壳结构缩尺模型的冲击试验验证了分析方法及分析结论的正确性，最后提出冲击荷载下网壳结构的防护设计建议。这些内容具体包括： 1. 网壳结构冲击响应分析方法 建立了实用有效的网壳结构冲击响应分析方法，首先确定了网壳结构冲击响应研究的特征指标，包括荷载作用、网壳结构的特征响应两方面内容，然后探讨了网壳结构冲击响应的分析流程，并建立了网壳结构冲击响应分析的精确数值计算模型； 2. 冲击荷载下网壳结构的失效模式与机理 通过大量的参数计算研究网壳结构的冲击响应特性，总结分析了网壳结构冲击失效的四个典型算例，详述了网壳结构冲击失效的全过程及其荷载作用与结构特征响应；然后定义了网壳结构的三类失效模式，并将冲击失效过程分为三阶段，同时揭示了每类失效模式对应的失效机理； 3. 网壳结构冲击失效规律分析 研究网壳结构的冲击失效规律，考察了结构最大响应/失效模式随网壳获取的总冲击能量的变化规律，并探讨了冲击物初动能对结构最大响应/失效模式的影响；此外，提出用整体倒塌失效系数作为结构抗冲击能力的评定指标，然后对网壳结构的冲击整体倒塌失效规律进行参数分析，确定了易于产生整体倒塌的初始冲击条件。 4. 网壳结构冲击试验研究 为验证网壳结构冲击响应分析方法及分析结论的正确性，对Kiewitt-6型单层球面网壳缩尺模型进行了系统的试验研究，试验内容包括模态分析、弹性冲击试验与破坏性冲击试验，通过试验与数值结果的对比分析，证明了本文提出的分析方法及分析结论的正确性，此外，通过对比分析探讨了冲击物初始偏转、支座约束条件、加工误差、阻尼力等因素对结构最大冲击响应的影响原因及影响程度。 5. 冲击荷载下网壳结构的防护设计方法及建议 以网壳结构的冲击失效机理与冲击失效规律为理论基础，以防止结构在冲击荷载下出现整体倒塌为防护目标，提出冲击荷载下网壳结构的三种防护设计方法：轻屋面、整体加强法和临界位置加强法，并分别对三种方法的防护效果进行对比分析；在此基础上，综合考虑防护效果与经济条件，提出冲击荷载下网壳结构的防护设计建议；与前文内容相结合，形成了完整的网壳结构抗冲击研究的理论框架。 2100433B

网壳结构抗冲击是民用建筑抗爆/反恐的前沿理论之一，《网壳结构在冲击荷载下的破坏机理》系统总结了作者团队在该方向的研究成果。《网壳结构在冲击荷载下的破坏机理》共8章，内容主要包括绪论、建筑Q235钢的动态本构模型与应用、圆钢管侧向冲击响应试验、圆钢管侧向冲击仿真技术及参数影响规律、网壳结构在冲击荷载下的失效模式、网壳结构冲击响应规律、网壳结构模型落锤冲击试验、网壳结构遭受飞机撞击效应研究。《网壳结构在冲击荷载下的破坏机理》内容涵盖材料本构、构件和结构的冲击破坏机理三个层次，构成了较为完整的理论研究框架。